JP2011091212A - Superconducting magnet device and initial cooling method for superconducting coil of the same - Google Patents
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Abstract
【課題】液体窒素の気化熱を効率よく利用しつつ、室温から超電導転移温度までの超電導コイルの冷却時間を短縮することができる超電導マグネット装置およびその超電導コイルの初期冷却方法を提供すること。
【解決手段】超電導マグネット装置1は、超電導コイル2と、超電導コイル2に対して下端にて熱的に接続された液体窒素タンク7と、液体窒素タンク7に接続された液体窒素導入管10と、液体窒素タンク7に接続された窒素ガス排出管11と、液体窒素タンク7の下部フランジ22に取り付けられた温度センサ31と、液体窒素タンク7の上部フランジ23に取り付けられた液体窒素レベルセンサ32とを備えている。
【選択図】図2To provide a superconducting magnet device capable of shortening the cooling time of a superconducting coil from room temperature to a superconducting transition temperature while efficiently utilizing the heat of vaporization of liquid nitrogen, and an initial cooling method for the superconducting coil.
A superconducting magnet device includes a superconducting coil, a liquid nitrogen tank that is thermally connected to the superconducting coil at a lower end, and a liquid nitrogen introduction pipe that is connected to the liquid nitrogen tank. The nitrogen gas discharge pipe 11 connected to the liquid nitrogen tank 7, the temperature sensor 31 attached to the lower flange 22 of the liquid nitrogen tank 7, and the liquid nitrogen level sensor 32 attached to the upper flange 23 of the liquid nitrogen tank 7. And.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、超電導コイルを備えたマグネット装置の冷却技術に関する。 The present invention relates to a cooling technique for a magnet device provided with a superconducting coil.
超電導マグネット装置は、その超電導コイルを極低温に冷却して、電気抵抗がゼロの超電導状態で超電導コイルを使用する。超電導コイルを超電導状態で使用するため、ジュール発熱がなく、常電導マグネット装置に比して高磁場を少ない電力で発生させることができる。 The superconducting magnet device cools the superconducting coil to a cryogenic temperature and uses the superconducting coil in a superconducting state with zero electrical resistance. Since the superconducting coil is used in a superconducting state, there is no Joule heat generation, and a high magnetic field can be generated with less electric power than a normal conducting magnet device.
従来、この種の超電導マグネット装置に関する冷却技術としては、例えば特許文献1に記載されたようなものがある。特許文献1に記載された超電導マグネット装置は、冷凍機により冷却可能とした超電導コイルを有する伝導冷却型超電導磁石装置であって、超電導コイルの外周に伝導冷却用銅管が螺旋状に配設されてなるものである。この伝導冷却用銅管内に液体窒素が導入されることで超電導コイルは冷却される。そして特許文献1においては、この伝導冷却用銅管内に液体窒素を導入することで、超電導コイルの初期冷却にかかる時間を短縮することができる、と称されている。 Conventionally, as a cooling technique related to this type of superconducting magnet device, for example, there is one described in Patent Document 1. The superconducting magnet device described in Patent Document 1 is a conduction-cooling superconducting magnet device having a superconducting coil that can be cooled by a refrigerator, and a conductive cooling copper tube is spirally disposed on the outer periphery of the superconducting coil. It will be. The superconducting coil is cooled by introducing liquid nitrogen into the conductive cooling copper tube. And in patent document 1, it is called that the time concerning the initial cooling of a superconducting coil can be shortened by introduce | transducing liquid nitrogen in this copper pipe for conductive cooling.
また、特許文献2に記載されたような冷却技術もある。特許文献2に記載された超電導マグネット装置は、輻射シールド内に配置され液体窒素や液体ヘリウムなどの冷媒が供給される冷媒容器を備えるものである。この冷媒容器は、超電導コイルに対して熱的に接続されている(特許文献2の図14参照)。そして特許文献2においては、液体窒素や液体ヘリウムなどの冷媒を上記冷媒容器に供給して超電導コイルを予冷することで、超電導コイルの冷却時間を大幅に短縮できる、と称されている。
There is also a cooling technique as described in
しかしながら、特許文献1に記載された伝導冷却型超電導磁石装置において、その伝導冷却用銅管に液体窒素を導入した際に液体窒素の導入量が少ない場合、その窒素導入口付近においては液体窒素であるが、伝導冷却用銅管の窒素排出口からは超電導コイルに気化熱を奪われた窒素ガスが排出する。すなわち、窒素排出口の近くに位置する超電導コイル部分は、気化熱を奪われた窒素ガスによって温められることになりかねない。一方、伝導冷却用銅管への液体窒素の導入量が多すぎると、窒素排出口から液体窒素が排出されることとなり冷却効率が悪い。このように、特許文献1に記載された冷却技術では、液体窒素の導入量調整が非常に難しく、液体窒素の気化熱を効率よく利用することが難しいという問題がある。 However, in the conduction cooling type superconducting magnet device described in Patent Document 1, when liquid nitrogen is introduced into the conduction cooling copper tube and the amount of liquid nitrogen introduced is small, liquid nitrogen is not present in the vicinity of the nitrogen inlet. However, nitrogen gas deprived of heat of vaporization by the superconducting coil is discharged from the nitrogen outlet of the conductive cooling copper pipe. That is, the superconducting coil portion located near the nitrogen outlet may be heated by the nitrogen gas deprived of vaporization heat. On the other hand, if the amount of liquid nitrogen introduced into the conductive cooling copper tube is too large, liquid nitrogen is discharged from the nitrogen discharge port, resulting in poor cooling efficiency. Thus, in the cooling technique described in Patent Document 1, it is very difficult to adjust the amount of liquid nitrogen introduced, and it is difficult to efficiently use the heat of vaporization of liquid nitrogen.
特許文献2に記載された超電導マグネット装置においても上記問題は同様にある。超電導コイルに対して熱的に接続された冷媒容器に液体窒素を導入した際、液体窒素の導入量が少なければ、冷媒供給管に気化熱を奪われ、冷媒容器内には気化熱を奪われた窒素ガス(気体窒素)が充満してしまう。ここで、特許文献2に記載された冷却技術では、冷媒容器に液体窒素が溜まっているか否か(冷媒容器に窒素ガスが充満してしまっていないか)を確認することが難しい。
The above problem is similarly present in the superconducting magnet device described in
また、冷媒容器の温度が冷凍機によって窒素の固体化する温度以下に下がれば、冷媒供給管・冷媒容器・冷媒排出管のどこかで固体窒素による閉塞が生じることがある。配管(冷媒供給管や冷媒排出管)で閉塞が生じると、液体窒素を導入・排出することができず、液体窒素の気化熱を利用して超電導コイルを冷却することができない。 Further, if the temperature of the refrigerant container is lowered below the temperature at which nitrogen is solidified by the refrigerator, clogging with solid nitrogen may occur somewhere in the refrigerant supply pipe, the refrigerant container, and the refrigerant discharge pipe. If clogging occurs in the piping (refrigerant supply pipe or refrigerant discharge pipe), liquid nitrogen cannot be introduced and discharged, and the superconducting coil cannot be cooled using the vaporization heat of liquid nitrogen.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、液体窒素の気化熱を効率よく利用しつつ、室温から超電導転移温度までの超電導コイルの冷却時間を短縮することができる、超電導マグネット装置およびその超電導コイルの初期冷却方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to reduce the cooling time of the superconducting coil from room temperature to the superconducting transition temperature while efficiently utilizing the heat of vaporization of liquid nitrogen. Another object is to provide a superconducting magnet device and an initial cooling method for the superconducting coil.
上記目的を達成するために本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイルに対して、下端にて熱的に接続された液体窒素タンクと、前記液体窒素タンクに接続された液体窒素導入管と、前記液体窒素タンクに接続された窒素ガス排出管と、前記液体窒素タンクの下端部に取り付けられた温度センサと、前記液体窒素タンクに取り付けられた液体窒素レベルセンサと、を備える超電導マグネット装置である。 To achieve the above object, the present invention provides a superconducting coil, a liquid nitrogen tank thermally connected to the superconducting coil at a lower end, a liquid nitrogen introducing pipe connected to the liquid nitrogen tank, A superconducting magnet apparatus comprising: a nitrogen gas discharge pipe connected to the liquid nitrogen tank; a temperature sensor attached to a lower end of the liquid nitrogen tank; and a liquid nitrogen level sensor attached to the liquid nitrogen tank. .
この構成によると、液体窒素タンクに導入された液体窒素は、液体窒素タンク内の下部にて超電導コイルに気化熱を奪われたのち窒素ガスとなり、そして窒素ガス排出管から放出していく。ここで、液体窒素タンクに液体窒素が溜まっているか否かは、液体窒素タンクの下端部に取り付けられた温度センサにより確認することができる。また、液体窒素タンクに取り付けられた液体窒素レベルセンサによっても、液体窒素タンクに液体窒素が溜まっているか否かを確認することができる。すなわち、温度センサおよび液体窒素レベルセンサにより、液体窒素タンクに液体窒素が溜まっているか否かを確実に確認することができる。したがい本発明によると、超電導コイルの冷却に常に供される液体窒素を液体窒素タンク内に確保することができる。これにより、液体窒素の気化熱を効率よく利用しながら超電導コイルを冷却することができ、室温から超電導転移温度までの超電導コイルの冷却時間を短縮することが可能となる。 According to this configuration, the liquid nitrogen introduced into the liquid nitrogen tank becomes nitrogen gas after the heat of vaporization is taken away by the superconducting coil in the lower part of the liquid nitrogen tank, and is discharged from the nitrogen gas discharge pipe. Here, whether or not liquid nitrogen is accumulated in the liquid nitrogen tank can be confirmed by a temperature sensor attached to the lower end of the liquid nitrogen tank. In addition, it can be confirmed whether or not liquid nitrogen is accumulated in the liquid nitrogen tank by a liquid nitrogen level sensor attached to the liquid nitrogen tank. That is, whether or not liquid nitrogen is accumulated in the liquid nitrogen tank can be reliably confirmed by the temperature sensor and the liquid nitrogen level sensor. Therefore, according to the present invention, liquid nitrogen that is always used for cooling the superconducting coil can be secured in the liquid nitrogen tank. As a result, the superconducting coil can be cooled while efficiently utilizing the heat of vaporization of liquid nitrogen, and the cooling time of the superconducting coil from room temperature to the superconducting transition temperature can be shortened.
また本発明において、前記液体窒素タンクの下端部に形成された穴に前記温度センサが挿入されて取り付けられていることが好ましい。 Moreover, in this invention, it is preferable that the said temperature sensor is inserted and attached to the hole formed in the lower end part of the said liquid nitrogen tank.
この構成によると、液体窒素タンクの下端部と温度センサとの間の温度差を小さくできる。すなわち、より正確に液体窒素タンクの下端部の温度を測定することができ、その結果、液体窒素の気化熱をより効率よく利用しながら超電導コイルを冷却できる。 According to this configuration, the temperature difference between the lower end of the liquid nitrogen tank and the temperature sensor can be reduced. That is, the temperature of the lower end portion of the liquid nitrogen tank can be measured more accurately, and as a result, the superconducting coil can be cooled while more efficiently using the heat of vaporization of liquid nitrogen.
さらに本発明において、前記穴の内面と前記温度センサとの間に隙間埋材が入れられていることが好ましい。 Furthermore, in the present invention, it is preferable that a gap filling material is inserted between the inner surface of the hole and the temperature sensor.
この構成によると、液体窒素タンクの下端部と温度センサとの間の温度差を小さくできるとともに、温度センサの温度反応性が向上する。 According to this configuration, the temperature difference between the lower end of the liquid nitrogen tank and the temperature sensor can be reduced, and the temperature responsiveness of the temperature sensor is improved.
さらに本発明において、前記穴は、前記液体窒素タンクの下端部側面に前記温度センサが挿入される開口部を有し、前記液体窒素タンクの下端部上面と前記穴とを連通させる空気抜用穴がさらに設けられていることが好ましい。 Further, in the present invention, the hole has an opening into which the temperature sensor is inserted on a side surface of a lower end portion of the liquid nitrogen tank, and an air vent hole that allows the upper surface of the lower end portion of the liquid nitrogen tank to communicate with the hole. Is preferably further provided.
この構成によると、超電導マグネット装置内を真空状態にする際に、液体窒素タンクの下端部から温度センサがはずれることを防止できる。ここで、液体窒素タンクの下端部から温度センサがはずれているか否かの確認は容易ではない。また、温度センサがはずれてしまうと、液体窒素タンクの下端部の温度を正確に測定することができなくなる。すなわち、本発明によると、液体窒素タンクの下端部から温度センサがはずれることを防止でき、その結果、液体窒素タンクの下端部の温度をより正確に測定することができるのである。 According to this configuration, the temperature sensor can be prevented from coming off from the lower end of the liquid nitrogen tank when the superconducting magnet device is evacuated. Here, it is not easy to check whether or not the temperature sensor is disconnected from the lower end of the liquid nitrogen tank. If the temperature sensor is disconnected, the temperature at the lower end of the liquid nitrogen tank cannot be measured accurately. That is, according to the present invention, the temperature sensor can be prevented from coming off from the lower end of the liquid nitrogen tank, and as a result, the temperature of the lower end of the liquid nitrogen tank can be measured more accurately.
さらに本発明において、前記液体窒素導入管の導入口が、前記液体窒素タンク内の底部に配置されていることが好ましい。 Furthermore, in the present invention, it is preferable that the introduction port of the liquid nitrogen introduction pipe is disposed at the bottom of the liquid nitrogen tank.
この構成によると、液体窒素タンクへの液体窒素の導入の際には、液体窒素を静かに液体窒素タンク内へ導入することができ無駄な気化熱の発生を抑制できる。また、液体窒素タンク内の液体窒素をタンク外へ排出させる際にこの液体窒素導入管を用いると、その導入口が液体窒素タンク内の底部に位置するため、液体窒素タンク内の全ての液体窒素を容易にタンク外へ排出させることができる。 According to this configuration, when liquid nitrogen is introduced into the liquid nitrogen tank, liquid nitrogen can be gently introduced into the liquid nitrogen tank, and generation of useless vaporization heat can be suppressed. If this liquid nitrogen introduction pipe is used to discharge liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank out of the tank, the introduction port is located at the bottom of the liquid nitrogen tank, so that all the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank Can be easily discharged out of the tank.
さらに本発明において、前記超電導コイルに対して熱的に接続された冷凍機を備えていることが好ましい。この構成によると、冷凍機および液体窒素タンクの両方で超電導コイルを初期冷却することができる。なお、冷凍機による液体窒素の過冷却(窒素の固体化する温度以下への冷却)は、液体窒素タンクの下端部の温度を温度センサで測定することにより防止できる。 Furthermore, in this invention, it is preferable to provide the refrigerator thermally connected with respect to the said superconducting coil. According to this configuration, the superconducting coil can be initially cooled by both the refrigerator and the liquid nitrogen tank. It should be noted that overcooling of liquid nitrogen (cooling below the temperature at which nitrogen solidifies) by the refrigerator can be prevented by measuring the temperature at the lower end of the liquid nitrogen tank with a temperature sensor.
また本発明は、その第2の態様によれば、前記した超電導マグネット装置の超電導コイルの初期冷却方法であって、前記温度センサおよび前記液体窒素レベルセンサにより、前記液体窒素タンク内の液体窒素量を検知し、前記液体窒素タンク内に所定量の液体窒素を確保しながら、前記液体窒素導入管から前記液体窒素タンクへ液体窒素を導入することにより、前記超電導コイルを冷却する冷却工程と、前記冷却工程により前記超電導コイルの温度が所定の温度まで低下したら、前記液体窒素タンクへの液体窒素の導入を停止して当該液体窒素タンクへヘリウムガスを供給することにより、当該液体窒素タンク内をヘリウムガスに置換する置換工程と、前記液体窒素タンク内のヘリウムガスを排出して、当該液体窒素タンク内を真空状態にする真空引工程と、を備える超電導マグネット装置の超電導コイルの初期冷却方法である。 According to the second aspect of the present invention, there is provided an initial cooling method for the superconducting coil of the superconducting magnet device, wherein the amount of liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank is determined by the temperature sensor and the liquid nitrogen level sensor. And cooling the superconducting coil by introducing liquid nitrogen from the liquid nitrogen introduction pipe to the liquid nitrogen tank while securing a predetermined amount of liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank, and When the temperature of the superconducting coil is lowered to a predetermined temperature by the cooling process, the introduction of liquid nitrogen into the liquid nitrogen tank is stopped and helium gas is supplied to the liquid nitrogen tank, so that the inside of the liquid nitrogen tank is helium. A replacement step of substituting with gas, and discharging the helium gas in the liquid nitrogen tank to make the liquid nitrogen tank in a vacuum state And vacuum pull step, the initial cooling method of the superconducting coil of a superconducting magnet device provided with a.
この構成によると、冷却工程により液体窒素タンクに導入された液体窒素は、液体窒素タンク内の下部にて超電導コイルに気化熱を奪われたのち窒素ガスとなり、そして窒素ガス排出管から放出していく。ここで、温度センサおよび液体窒素レベルセンサにより、液体窒素タンク内の液体窒素量を検知し、液体窒素タンク内に所定量の液体窒素を確保しながら液体窒素タンクへ液体窒素を導入することにより、液体窒素の気化熱を効率よく利用しながら超電導コイルを冷却することができ、室温から超電導転移温度までの超電導コイルの冷却時間を短縮することが可能となる。また、冷却工程の後、液体窒素タンク内のヘリウムガスへの置換工程を介して液体窒素タンク内を真空状態にすることにより、超電導コイルが温められることを防止できる。 According to this configuration, the liquid nitrogen introduced into the liquid nitrogen tank by the cooling process becomes nitrogen gas after the vaporization heat is taken away by the superconducting coil in the lower part of the liquid nitrogen tank, and is discharged from the nitrogen gas discharge pipe. Go. Here, the amount of liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank is detected by the temperature sensor and the liquid nitrogen level sensor, and by introducing liquid nitrogen into the liquid nitrogen tank while securing a predetermined amount of liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank, The superconducting coil can be cooled while efficiently using the heat of vaporization of liquid nitrogen, and the cooling time of the superconducting coil from room temperature to the superconducting transition temperature can be shortened. In addition, after the cooling step, the superconducting coil can be prevented from being warmed by evacuating the liquid nitrogen tank through a replacement step with helium gas in the liquid nitrogen tank.
また本発明において、前記液体窒素導入管の導入口が、前記液体窒素タンク内の底部に配置されており、前記置換工程において、前記窒素ガス排出管から前記液体窒素タンクへヘリウムガスを供給して前記液体窒素導入管から窒素を排出することにより、当該窒素ガス排出管内、当該液体窒素タンク内、および前記液体窒素導入管内をヘリウムガスに置換し、前記真空引工程において、前記窒素ガス排出管内、前記液体窒素タンク内、および前記液体窒素導入管内のヘリウムガスを排出して、当該窒素ガス排出管内、当該液体窒素タンク内、および当該液体窒素導入管内を真空状態にすることが好ましい。 In the present invention, an inlet of the liquid nitrogen introduction pipe is disposed at the bottom of the liquid nitrogen tank, and helium gas is supplied from the nitrogen gas discharge pipe to the liquid nitrogen tank in the replacement step. By discharging nitrogen from the liquid nitrogen introduction pipe, the nitrogen gas discharge pipe, the liquid nitrogen tank, and the liquid nitrogen introduction pipe are replaced with helium gas, and in the vacuum drawing step, the nitrogen gas discharge pipe, It is preferable that helium gas in the liquid nitrogen tank and in the liquid nitrogen introduction pipe is discharged to make the nitrogen gas discharge pipe, the liquid nitrogen tank, and the liquid nitrogen introduction pipe in a vacuum state.
この構成によると、液体窒素導入管の導入口が液体窒素タンク内の底部に配置されていることにより、液体窒素タンク内のヘリウムガスへの置換工程において、液体窒素タンク内の全ての液体窒素を容易にタンク外へ排出させることができる。また、窒素ガス排出管内、液体窒素タンク内、および液体窒素導入管内を真空状態にすることにより、超電導コイルが温められることをより防止できる。 According to this configuration, since the inlet of the liquid nitrogen introduction pipe is disposed at the bottom of the liquid nitrogen tank, all the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank is removed in the replacement process with helium gas in the liquid nitrogen tank. It can be easily discharged out of the tank. Moreover, it is possible to further prevent the superconducting coil from being warmed by evacuating the inside of the nitrogen gas discharge pipe, the liquid nitrogen tank, and the liquid nitrogen introduction pipe.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(超電導マグネット装置の構成)
図1は、本発明の一実施形態に係る超電導マグネット装置1を示す断面模式図である。図1に示すように、本実施形態の超電導マグネット装置1は、超電導コイル2と、超電導コイル2に対して熱的に接続された液体窒素タンク7と、超電導コイル2および液体窒素タンク7を収容する輻射シールド6(冷却容器)と、超電導コイル2および液体窒素タンク7が収容された輻射シールド6を収容する真空容器5と、真空容器5の上部に取り付けられた冷凍機3とを備えている。
(Configuration of superconducting magnet device)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a superconducting magnet device 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the superconducting magnet device 1 of this embodiment contains a
(超電導コイル)
超電導コイル2は、巻枠4と、巻枠4に螺旋状に巻回されてなる超電導線材16とを有している。巻枠4は非磁性材であるアルミニウム材、ステンレス材などからなる。超電導線材16は、例えばニオブ・チタン(NbTi)合金系の極細多芯線を銅母材に埋め込んだものである。また、超電導コイル2の外周には冷却促進部材8が取り付けられている。冷却促進部材8は、筒状に組み立てられてなるものであって、超電導線材16全体を覆うように取り付けられている。冷却促進部材8の材質としては、銅材などが挙げられる。
(Superconducting coil)
The
(液体窒素タンク)
図2は、図1に示すA部の詳細断面図であり、液体窒素タンク7の詳細を示している図である。図2に示すように、液体窒素タンク7は、筒状のタンク本体21と、タンク本体21の下端に取り付けられた下部フランジ22(底板)と、タンク本体21の上端に取り付けられた上部フランジ23(天板)とを有している。下部フランジ22および上部フランジ23は円板状の形態である。液体窒素タンク7(タンク本体21、下部フランジ22、および上部フランジ23)の材質としては、銅材などが挙げられる。なお、液体窒素タンク7は、円筒状に形成されているが、角筒状に形成されてもよいし、円錐筒状(下方に向かうにつれて断面積(水平方向の断面積)が大きくなる円錐筒状)に形成されてもよい。
(Liquid nitrogen tank)
FIG. 2 is a detailed cross-sectional view of part A shown in FIG. 1 and shows details of the
液体窒素タンク7は、その下端にて超電導コイル2に対して熱的に接続されている。具体的には、冷却促進部材8の外周に板形状の伝熱部材9が取り付けられ、この伝熱部材9に対して液体窒素タンク7の下部フランジ22がボルトなどの固定手段により取り付けられている。伝熱部材9の材質としては銅材などが挙げられる。また、伝熱部材9は、超電導コイル2(または冷却促進部材8)の高さ方向においてその中央部に配置されている。超電導コイル2を均等に冷却する観点から、このように伝熱部材9を超電導コイル2(または冷却促進部材8)の中央部に配置することが好ましい。なお、必ずしも超電導コイル2(または冷却促進部材8)の高さ方向中央部に伝熱部材9を配置する必要はない。
The
液体窒素タンク7の上部フランジ23には液体窒素導入管10が接続されている。この液体窒素導入管10の導入口10aは、液体窒素タンク7内の底部に配置されている。また、液体窒素タンク7の上部フランジ23には窒素ガス排出管11が接続されている。この窒素ガス排出管11の排出口11aは、液体窒素導入管10の導入口10aよりも上方であって、液体窒素タンク7内の最上端部である上部フランジ23部(天井部)に配置されている。液体窒素導入管10および窒素ガス排出管11の材質としては、ステンレス材などが挙げられる。
The liquid
また、液体窒素タンク7の上部フランジ23には液体窒素レベルセンサ32が取り付けられている。液体窒素レベルセンサ32は、例えば静電容量型のレベルセンサである。なお、静電容量型のレベルセンサ以外で、液体窒素レベルセンサとして用いることができるレベルセンサ(センサ形式)としては、半導体検知レベルセンサ、光ファイバ式レベルセンサなどがある。また、液体窒素タンク7の下部フランジ22(下端部)には温度センサ31が取り付けられている。31aは、温度センサ31のリード線である。温度センサ31としては、白金抵抗などを挙げることができる。なお、温度センサ31はタンク本体21の下端部に取り付けられてもよい。
A liquid
下部フランジ22の側面には、温度センサ31が挿入される穴22aが設けられている(この穴22aは、下部フランジ22の側面に開口部を有する)。穴22aの形状・寸法は、温度センサ31と穴22aとが密着するように決定される。これにより、下部フランジ22と温度センサ31との間の温度差を小さくできる。その結果、液体窒素タンク7の下端部(下部フランジ22)の温度を温度センサ31により正確に測定することができる。なお、穴22aの内面と温度センサ31との間に隙間埋材(不図示)が入れられていることが望ましい。隙間埋材としては、例えば、アピエゾンNグリース、スタイキャストなどを挙げることができる。アピエゾンNグリース、スタイキャストなどを穴22aの内面に塗布した後、温度センサ31を穴22aに挿入する。これにより、下部フランジ22と温度センサ31との間の温度差をより小さくできるとともに、温度センサ31の温度反応性を向上させることができる。
A
また、穴22aと下部フランジ22の上面とを連通させる空気抜用穴22bが下部フランジ22に設けられている。空気抜用穴22bは、穴22aのタンク中心側端部に設けられている。空気抜用穴22bの開口部面積(フランジ22上面における開口部面積)は、穴22aの開口部面積(下部フランジ22の側面における開口部面積)よりも小さい。なお、空気抜用穴22bの位置は、必ずしも本実施形態の位置(穴22aのタンク中心側端部)に限られるものではない。
The
(輻射シールド)
輻射シールド6は、アルミニウム材、銅材などからなる冷却容器である。液体窒素タンク7に接続された液体窒素導入管10および窒素ガス排出管11は、超電導コイル2に対して所定の間隔をあけて、輻射シールド6を貫通させて配管されている。液体窒素導入管10および窒素ガス排出管11は、サポート部材15により輻射シールド6に固定されている。サポート部材15の材質としては、ステンレス材、アルミニウム材、銅材などが挙げられる。輻射シールド6内は真空状態とされる。
(Radiation shield)
The radiation shield 6 is a cooling container made of an aluminum material, a copper material, or the like. The liquid
(真空容器)
真空容器5は、その内部を真空状態に保持され、超電導コイル2、液体窒素タンク7、輻射シールド6などへの侵入熱を抑制するための容器である。真空容器5の材質としては、アルミニウム材、ステンレス材などが挙げられる。真空容器5の外面は常温(300K程度)にさらされる。
(Vacuum container)
The vacuum container 5 is a container for keeping the inside thereof in a vacuum state and suppressing intrusion heat to the
(冷凍機)
冷凍機3は、二段蓄冷式冷凍機であり、駆動部12と、駆動部12の下に配置されたシリンダ13を有している。シリンダ13は、上部の第1シリンダ13aと、下部の第2シリンダ13bとを有している。第1シリンダ13aの下端部には第1冷却端部14aが設けられ、第2シリンダ13bの下端部には第2冷却端部14bが設けられている。第1冷却端部14aおよび第2冷却端部14bは、いずれもフランジ状の形態を有している。第1冷却端部14aは、輻射シールド6に対してボルトなどの固定手段により取り付けられ、第2冷却端部14bは、伝熱部材9に対してボルトなどの固定手段により取り付けられている。駆動部12にはヘリウムガスが供給され、供給されたヘリウムガスは、第1シリンダ13aの下部および第2シリンダ13bの下部に噴出する。冷凍機3は、第1冷却端部14aおよび第2冷却端部14bを介して、輻射シールド6および超電導コイル2をそれぞれ約40Kおよび約4Kに冷却するものである。冷凍機3は、超電導コイル2に対して、冷却促進部材8および伝熱部材9を介して熱的に接続されている。
(refrigerator)
The
(超電導コイルの初期冷却方法)
次に、超電導マグネット装置1の超電導コイル2の初期冷却方法について説明する。
(Initial cooling method for superconducting coils)
Next, an initial cooling method for the
(冷却工程)
冷凍機3および液体窒素タンク7を用いて超電導コイル2の冷却を開始する。冷凍機3に関しては、当該冷凍機3の運転を開始し、第2冷却端部14bおよび伝熱部材9を介して超電導コイル2を冷却していく。液体窒素タンク7に関しては、当該液体窒素タンク7に接続された液体窒素導入管10からタンク内へ液体窒素40を導入することにより、伝熱部材9を介して超電導コイル2を冷却していく。ここで、液体窒素タンク7の下端部に取り付けられた温度センサ31の検知温度が、77K前後を保つように、液体窒素タンク7へ液体窒素40を導入する。液体窒素タンク7内に液体窒素40を確保するとともに、冷凍機3による液体窒素40の過冷却(窒素の固体化する温度以下への冷却)を防止するためである。
(Cooling process)
The cooling of the
液体窒素タンク7に導入された液体窒素40は、液体窒素タンク7内の底部にて超電導コイル2に気化熱を奪われたのち窒素ガスとなり、そして液体窒素タンク7内の上部に配置された窒素ガス排出管11の排出口11aから外部へ放出していく。ここで、液体窒素タンク7に所定量の液体窒素40が溜まっているか否かは、液体窒素タンク7の下端部に取り付けられた温度センサ31により下部フランジ22の温度を測定することにより確認できる。また、液体窒素タンク7に取り付けられた液体窒素レベルセンサ32によっても、液体窒素タンク7に所定量の液体窒素40が溜まっているか否かを確認することができる。すなわち、温度センサ31および液体窒素レベルセンサ32により、液体窒素タンク7に液体窒素40が溜まっているか否かを確実に確認することができる。これにより、超電導コイル2の冷却に常に供される液体窒素40を液体窒素タンク7内に確保することができる。その結果、液体窒素40の気化熱を効率よく利用しながら超電導コイル2を冷却することができ、室温から超電導転移温度までの超電導コイル2の冷却時間を短縮することが可能となる。なお、窒素ガス排出管11は、超電導コイル2に対して所定の間隔をあけて配管されているので、気化熱を奪われた窒素ガスにより超電導コイル2が温められることは防止される。
The
また、液体窒素導入管10の導入口10aが液体窒素タンク7内の底部に配置されているので、液体窒素タンク7への液体窒素40の導入の際には、液体窒素40を静かに液体窒素タンク7内へ導入することができ無駄な気化熱の発生を抑制できる。
Further, since the
温度センサ31の検知温度が所定温度よりも高くなれば、液体窒素タンク7内に液体窒素40を追加導入する。また、液体窒素タンク7内の液体窒素40レベルが所定レベル以下になれば、液体窒素タンク7内に液体窒素40を追加導入する構成としてもよい。また、液体窒素レベルセンサ32を取り付けることにより、液体窒素タンク7への過剰量の液体窒素40の導入を防止できる。
If the temperature detected by the
なお、液体窒素タンク7内の液体窒素40の量を制御する制御装置(不図示)を設け、温度センサ31および液体窒素レベルセンサ32からの信号を、液体窒素タンク7内の液体窒素40量の自動制御に用いてもよい。
In addition, a control device (not shown) for controlling the amount of
(置換工程)
超電導コイル2の温度が、約77Kに低下したら、液体窒素タンク7への液体窒素40の導入を停止して当該液体窒素タンク7へヘリウムガスを供給することにより、液体窒素タンク7内をヘリウムガスに置換する。
(Replacement process)
When the temperature of the
ここでは、液体窒素タンク7に接続された窒素ガス排出管11から当該液体窒素タンク7へヘリウムガスを供給して液体窒素導入管10から窒素を排出することにより、窒素ガス排出管11内、液体窒素タンク7内、および液体窒素導入管10内をヘリウムガスに置換する。供給するヘリウムガスの温度は、常温である。液体窒素導入管10や窒素ガス排出管11の中が窒素で閉塞している場合があるので、一度、常温のヘリウムガスで温めて窒素を追い出すのである。このとき、超電導コイル2は77Kあたりまで冷えているため、窒素を追い出す量のヘリウムガスによる温度上昇は超電導コイル2に顕著に現れない。
Here, by supplying helium gas from the nitrogen
ここで、液体窒素導入管10の導入口10aが液体窒素タンク7内の底部に配置されているので、窒素ガス排出管11から液体窒素タンク7へヘリウムガスを供給することにより、液体窒素タンク7内の全ての液体窒素40を容易にタンク外へ排出させることができる。
Here, since the
(真空引工程)
液体窒素タンク7内がヘリウムガスに置換されたら、液体窒素タンク7内のヘリウムガスを排出して、当該液体窒素タンク7内を真空状態にする。真空状態にすることで、対流による熱侵入を防止する。
(Vacuum drawing process)
When the inside of the
ここでは、真空引用ポンプ(不図示)を液体窒素タンク7の液体窒素導入管10に接続し、液体窒素導入管10から、窒素ガス排出管11内、液体窒素タンク7内、および液体窒素導入管10内のヘリウムガスを当該真空引用ポンプで吸引排出して、窒素ガス排出管11内、液体窒素タンク7内、および液体窒素導入管10内を真空状態にする。
Here, a vacuum citation pump (not shown) is connected to the liquid
窒素ガス排出管11内、液体窒素タンク7内、および液体窒素導入管10内を真空状態にすることにより、断熱効果を得ることができ超電導コイル2が温められることをより防止することができる。なお、液体窒素タンク7の窒素ガス排出管11から、窒素ガス排出管11内、液体窒素タンク7内、および液体窒素導入管10内のヘリウムガスを吸引排出してもよい。
By making the inside of the nitrogen
真空引工程が終了することで超電導コイル2(超電導マグネット装置1)の初期冷却工程が完了し、そのあとは、冷凍機3により超電導コイル2を超電導転移温度まで冷却する。
When the evacuation process is completed, the initial cooling process of the superconducting coil 2 (superconducting magnet device 1) is completed, and thereafter, the
なお、真空容器5内および輻射シールド6内も真空状態にされる。ここで、下部フランジ22の側面に形成された穴22aには、前記したようにその端部に空気抜用穴22bが設けられている。この空気抜用穴22bにより、輻射シールド6内を真空状態にする際に、液体窒素タンク7の下部フランジ22から温度センサ31がはずれることを防止できる。
The vacuum vessel 5 and the radiation shield 6 are also evacuated. Here, the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as long as they are described in the claims. .
例えば、複数の液体窒素タンク7を、超電導コイル2の周囲に均等配置して、それぞれ超電導コイル2に対して熱的に接続させてもよい。これにより、液体窒素タンク、液体窒素導入管、および窒素ガス排出管の数量が増えるが、超電導コイル2全体を均等に冷却することができ、冷却効率の向上を図れる。
For example, a plurality of
1:超電導マグネット装置
2:超電導コイル
3:冷凍機
5:真空容器
6:輻射シールド(冷却容器)
7:液体窒素タンク
10:液体窒素導入管
11:窒素ガス排出管
22:下部フランジ
31:温度センサ
32:液体窒素レベルセンサ
1: Superconducting magnet device 2: Superconducting coil 3: Refrigerator 5: Vacuum vessel 6: Radiation shield (cooling vessel)
7: Liquid nitrogen tank 10: Liquid nitrogen introduction pipe 11: Nitrogen gas discharge pipe 22: Lower flange 31: Temperature sensor 32: Liquid nitrogen level sensor
Claims (8)
前記超電導コイルに対して、下端にて熱的に接続された液体窒素タンクと、
前記液体窒素タンクに接続された液体窒素導入管と、
前記液体窒素タンクに接続された窒素ガス排出管と、
前記液体窒素タンクの下端部に取り付けられた温度センサと、
前記液体窒素タンクに取り付けられた液体窒素レベルセンサと、
を備える、超電導マグネット装置。 A superconducting coil;
A liquid nitrogen tank thermally connected at the lower end to the superconducting coil;
A liquid nitrogen inlet pipe connected to the liquid nitrogen tank;
A nitrogen gas discharge pipe connected to the liquid nitrogen tank;
A temperature sensor attached to the lower end of the liquid nitrogen tank;
A liquid nitrogen level sensor attached to the liquid nitrogen tank;
A superconducting magnet device.
前記液体窒素タンクの下端部に形成された穴に前記温度センサが挿入されて取り付けられていることを特徴とする、超電導マグネット装置。 In the superconducting magnet device according to claim 1,
A superconducting magnet apparatus, wherein the temperature sensor is inserted and attached to a hole formed in a lower end portion of the liquid nitrogen tank.
前記穴の内面と前記温度センサとの間に隙間埋材が入れられていることを特徴とする、超電導マグネット装置。 In the superconducting magnet device according to claim 2,
A superconducting magnet apparatus, wherein a gap filling material is inserted between an inner surface of the hole and the temperature sensor.
前記穴は、前記液体窒素タンクの下端部側面に前記温度センサが挿入される開口部を有し、
前記液体窒素タンクの下端部上面と前記穴とを連通させる空気抜用穴がさらに設けられていることを特徴とする、超電導マグネット装置。 In the superconducting magnet device according to claim 3,
The hole has an opening into which the temperature sensor is inserted on the side of the lower end of the liquid nitrogen tank,
A superconducting magnet apparatus, further comprising an air vent hole that allows the upper surface of the lower end of the liquid nitrogen tank to communicate with the hole.
前記液体窒素導入管の導入口が、前記液体窒素タンク内の底部に配置されていることを特徴とする、超電導マグネット装置。 In the superconducting magnet device according to claim 1,
The superconducting magnet apparatus according to claim 1, wherein an inlet of the liquid nitrogen introduction pipe is disposed at a bottom portion in the liquid nitrogen tank.
前記超電導コイルに対して熱的に接続された冷凍機を備えていることを特徴とする、超電導マグネット装置。 In the superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 5,
A superconducting magnet device comprising a refrigerator thermally connected to the superconducting coil.
前記温度センサおよび前記液体窒素レベルセンサにより、前記液体窒素タンク内の液体窒素量を検知し、前記液体窒素タンク内に所定量の液体窒素を確保しながら、前記液体窒素導入管から前記液体窒素タンクへ液体窒素を導入することにより、前記超電導コイルを冷却する冷却工程と、
前記冷却工程により前記超電導コイルの温度が所定の温度まで低下したら、前記液体窒素タンクへの液体窒素の導入を停止して当該液体窒素タンクへヘリウムガスを供給することにより、当該液体窒素タンク内をヘリウムガスに置換する置換工程と、
前記液体窒素タンク内のヘリウムガスを排出して、当該液体窒素タンク内を真空状態にする真空引工程と、
を備える、超電導マグネット装置の超電導コイルの初期冷却方法。 An initial cooling method for a superconducting coil of the superconducting magnet device according to claim 1,
By detecting the amount of liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank by the temperature sensor and the liquid nitrogen level sensor and securing a predetermined amount of liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank, the liquid nitrogen tank is supplied from the liquid nitrogen introduction pipe. A cooling step of cooling the superconducting coil by introducing liquid nitrogen into
When the temperature of the superconducting coil is lowered to a predetermined temperature by the cooling step, the introduction of liquid nitrogen into the liquid nitrogen tank is stopped and helium gas is supplied to the liquid nitrogen tank, whereby the inside of the liquid nitrogen tank is A replacement step of replacing with helium gas;
Evacuation step of evacuating the liquid nitrogen tank by discharging the helium gas in the liquid nitrogen tank;
An initial cooling method for a superconducting coil of a superconducting magnet device.
前記液体窒素導入管の導入口が、前記液体窒素タンク内の底部に配置されており、
前記置換工程において、前記窒素ガス排出管から前記液体窒素タンクへヘリウムガスを供給して前記液体窒素導入管から窒素を排出することにより、当該窒素ガス排出管内、当該液体窒素タンク内、および前記液体窒素導入管内をヘリウムガスに置換し、
前記真空引工程において、前記窒素ガス排出管内、前記液体窒素タンク内、および前記液体窒素導入管内のヘリウムガスを排出して、当該窒素ガス排出管内、当該液体窒素タンク内、および当該液体窒素導入管内を真空状態にすることを特徴とする、超電導マグネット装置の超電導コイルの初期冷却方法。
In the initial cooling method of the superconducting coil of the superconducting magnet device according to claim 7,
The inlet of the liquid nitrogen inlet pipe is disposed at the bottom of the liquid nitrogen tank;
In the replacing step, by supplying helium gas from the nitrogen gas discharge pipe to the liquid nitrogen tank and discharging nitrogen from the liquid nitrogen introduction pipe, the nitrogen gas discharge pipe, the liquid nitrogen tank, and the liquid Replace the nitrogen inlet tube with helium gas,
In the evacuation step, helium gas in the nitrogen gas discharge pipe, in the liquid nitrogen tank, and in the liquid nitrogen introduction pipe is discharged, and in the nitrogen gas discharge pipe, in the liquid nitrogen tank, and in the liquid nitrogen introduction pipe An initial cooling method for a superconducting coil of a superconducting magnet device, characterized in that a vacuum state is provided.
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